Hvat er elektrolyttin í einum litiumbattaríi?
elektrolytt
Elektrolytið í einum litium-ion battaríi er burðarevnið av ionum í battarínum. Hon er alment samansett av litiumsaltum, organiskum upploysandi evnum og tilsetingarevnum, sum víst á mynd 7-4. Elektrolytturin hevur ein avgerandi leiklut í at leiða ionir millum positivu og negativu elektrodurnar hjá einum litium-ion battaríi, og tryggjar fyrimunir sum háspenning og høga serliga orku. Elektrolytir eru vanliga tilgjørdir undir ávísum umstøðum og í serligum lutfalli frá høgum{8}} purty organiskum upploysandi evnum, litiumsaltum og neyðugum tilsetingarevnum. Meðan elektrodutilfar avger orkutættleikan á battarínum, ásetir elektrolytturin grundleggjandi súkklulívið, høga og lága hitagongdina og trygdina. Grundsamansetingin av elektrolyttinum er framvegis lutfalsliga óbroytt; nýskapan liggur í høvuðsheitum í menningini av nýggjum litiumsaltum og tilsetingarevnum, umframt ein djúpari fatan av teimum interfacial kemisku tilgongdunum og mekanismunum, sum eru við í litium-ion battaríum.
Tað eru nógv sløg av litiumsaltum, sum víst á mynd 7-5, men sera fá verða nýtt í handilsligum litium-ion battaríum. Eitt ideelt litiumsalt skal hava hesar eginleikar:
1) Lágt associatiónsstig, lætt upploysandi í organiskum upploysandi evnum, sum tryggja høga ionleiðslu av elektrolytinum.
2) Aniónir við antioxidant og reduktiónsmótstøðu; reduktiónsvørur lætta um myndugleika av einum støðugum, lágum-mótstøðu SEI filmi.
3) Góður evnafrøðiligur stabilitetur, uttan at elva til skaðiligar síðureaktiónir við elektrodutilfari, elektrolytum ella skiljarum.
4) Einføld fyrireikingargongd, lágur kostnaður, ikki-eitur og dálking-frí.
LiPF6 er tað mest brúkta litiumsaltið. Meðan einstøku eginleikarnir ikki eru mest framúr, vísir hann lutfalsliga optimalan samlaðan avrik í karbonat blandaðum upploysandi elektrolytum. LiPF6 hevur hesar lyklafyrimunir:
1) Hóskandi upploysiligheit og høg ionleiðsla í ikki-vaksandi upploysandi evnum.
2) Tað kann mynda ein støðugan passiveringsfilm á yvirflatuni á aluminiumsfoliustreymsinnsavnarum.
3) Tað myndar synergistiskt ein støðugan SEI-film á grafittelektroduflatanum við karbonatloysnievnum.
LiPF6 hevur tó vánaligan termiska stabilitet og er tilbøgiligt at niðurbróta reaktiónir. Byproduktir kunnu skaða SEI-filmin á elektroduflatanum, upploysa teir positivu elektroduvirknu komponentirnar og føra til kapasitetsniðurbróting undir súkkluni.
LiBF er eisini eitt vanligt litiumsalttilsetningsevni. Samanborið við LiPF6 hevur LiBF eitt breiðari rakstrarhitabil, betri høgt-hitastabilitetur, og yvirskipað lág-hitaframførsla. LiBF eigur høga leiðslu, eitt breitt elektrokemiskt vindeyga og góðan termiska stabilitet. Størsti fyrimunur hennara liggur í sínum film-forming eginleikum, tí hann kann beinleiðis luttaka í myndugleikanum av SEI filminum.
Bygnaðarliga er LiDFOB samansett av hálv-molekylum av LiBOB og LiBF, sum sameinir fyrimunirnar við góðum filmi- at mynda eginleikar hjá LiBOB og tí góðu lág-hitaranum LiBF4. Samanborið við LiBOB hevur LiDFOB størri upploysiligheit í linjurættum karbonatloysingarevnum og størri elektrolyttleiðslu. Hægsta-hitin og lág{6}}hitaframførslan er betri enn LiPF4, og hon hevur góða samsvar við battaríkatoduna, myndar ein passiveringsfilm á aluminiumsfoliuflatanum og tálmandi elektrolyttoxidering.
CF₃SO2 bólkarnir í LiTFSI-bygnaðinum hava eina sterka elektron-, sum tekur aftur, sum versnar delokalisering av negativu løðingini og minkar um ion-samskipanarparing, sum førir til høga upploysn av saltinum. Harumframt hevur LiTFSI høga elleiðslu, høgan hitaniðurbrótingarhita, og er ikki lætt at hydrolysera; men tað fer at týða aluminiumstreymsinnsavnarar harðliga við spenningum omanfyri 3,7V.
Fluoratomini í LiFSI-molekylinum hava sterkan elektron- at taka aftur eginleikar, sum delokalisera neiligu løðingina á N, og tað førir til veika ionsamband og lætta dissosiatión av Li+, og førir sostatt til høga leiðslu.
LiPO2F2 vísir góða lág-hitaframførslu og betra eisini um høga-hitaframførsluna hjá elektrolytinum. Sum tilsetningsføri kann tað mynda ein SEI film, sum er ríkur í LixPOyFz og LiF á negativu elektroduflatanum, sum hjálpir til at minka um battarí-interfacial impedansuna og betra um avrikið á battarícykluni. Men LiPO2F2 líður eisini undir lágari upploysiligheit.
Høvuðsparturin avflótandi elektrolytter tað organiska upploysandi evnið, sum upploysir litiumsalt og gevur burðarevni til litiumjonir. Eitt ideelt organiskt upploysandi evni til eitt litium-ion battarí elektrolyt skal lúka hesar treytir:
1) Høgt dielektrisk konstant og sterk upploysingarførleiki til litiumsalt.
2) Lágt bráðningspunkt og høgt kókipunkt, at halda ein flótandi tilstand yvir einum breiðum hitabili.
3) Lágur viskositetur, sum ger tað lættari at fáa litium-onflutning.
4) Góður evnafrøðiligur stabilitetur, skaðar ikki tann positiva og negativa elektrodubygnaðin ella upploysir tað positiva og negativa elektrodutilfarið.
5) Høgt blitspunkt, góð trygd, lágur kostnaður, non- eitrandi og ikki-}dálkandi.
Vanlig organisk upploysandi evni, sum verða nýtt í litium-on battaríelektrolytum, eru í høvuðsheitum býtt sundur í karbonatloysnir og organisk eter upploysandi evni, sum víst á mynd 7-6. Fyri at fáa eitt høgt- avrikið litium-ion battarí elektrolyt, verður vanliga eitt blandað upploysandi evni, sum inniheldur tvey ella fleiri organisk upploysandi evni, brúkt, soleiðis at tey kunnu fylla út hvønn annan og fáa betri samlaða avrikið. Fysisku eginleikarnir hjá vanligum karbonatloysnum eru vístir í talvu 7-1.
Talva 7-1 Kropslig ogn av vanligum kolstoffum
| Vistfrøðiligt upploysaravirki | Relativ dielektrisk konstant | Smeltingarpunkt/ stig | Kóka punkt/ stig | Seigdstuðul |
|---|---|---|---|---|
| Etylen Karbonat (EF) | 89.6 | 37 | 243 | 1.86 |
| Propylen Karbonat (PC) | 64.4 | -55 | 240 | 2.53 |
| Dimetylkol (DMC) | 0.59 | 2 | 91 | 0.59 |
| Dietylkolevni (DEC) | 2.8 | -43 | 126 | 0.75 |
| Etylmetylkolevni (EMC) | 3.0 | -53 | 108 | 0.65 |
Organisk eter upploysandi evni fevna í høvuðsheitum um ketuetur sum 1,2{{4} dimetoxypropan (DMP), dimetoxymetan (DMM), og etylen glykol dimetyletyleter (DME) og sykliskar eter sum tetrahydrofuran (THF) og 2{6}}metyltetrahydrofuran (2-Me-THF). Fyri ketuetur upploysandi evni, jú longri er kolvetnisketan, jú betri evnafrøðiliga stabiliteturin, men størri seigdin og lægri litium-ion-flytingartíðin. Etylen glykol dimetyletyl eter kann mynda eitt lutfalsliga støðugt chelat (LiPF6·DME) við litium heksafluorofosfati, sum vísir sterka upploysingarkraft til litiumsalt og føra til høga elektrolyttleiðslu. DME hevur tó vánaligan evnafrøðiligan stabilitet og kann ikki mynda ein støðugan passiveringsfilm á yvirflatuni á negativu elektrodutilfarinum.
Karbonatloysingarevni fevna um sykliskar karbonatir sum propylenkarbonat (PC) og etylenkarbonat (EC), og ketukarbonat sum dimetylkarbonat (DMC), dietylkarbonat (DEC), og metyletylkarbonat (EMC). Sykliskarbonat hava eina høga dielektriska konstantu, og ger litiumsalt meira upploysandi, men tey hava eisini høga seigd, og tað førir til eina lægri litium-ion flytingartíð. Kettukarbonat hava lágt dielektriskt konstant og veikt litiumsalt upploysni, men lágt seigd og góða streymførleika, sum ger tað lættari at fáa litium{{3}on-flyting.
Sløgini av loga{0}}retardant tilsetingarevni til litium-ion elektrolytir eru víst á mynd 7-7. Tilsetningsevni, sum verða nýtt í smáum nøgdum, hava týðandi ávirkan og eru ein búskaparligur og ítøkiligur háttur til at betra um avrikið hjá litium{{5}on battaríum. Við at leggja ein lítlan skammt av tilsetingarevnum afturat elektrolytinum av litium{{6}on battaríum, kunnu ávísir battarí avrikiseyðkenni serliga betrast, so sum afturvendandi kapasitetur, elektrodu/elektrolyt kompatibilitetur, cyklus avrikið, ferð avrikið og trygdar avrikið, sum hevur ein avgerandi leiklut í litium-on battaríum. Eitt ideelt litium-ion battarí elektrolyttilsetningur skal hava hesar fýra eginleikarnar:
1) Høg upploysn í organiskum upploysandi evnum.
2) Ein lítil upphædd kann munandi betra um ein ella fleiri avrikiseginleikar.
3) Ongar skaðiligar síðureaktiónir við øðrum battarípartum, sum ávirka battaríavrikið.
4) Lágur kostnaður, non- eitrandi ella lág eitur.
Við støði í teirra funktión kunnu tilsetingarevni flokkast í leiðandi tilsetingarevni, yvirløðingarverndarevni, flame retardant tilsetningsevni, SEI film- mynda tilsetingarevni, katodutilfarsverjandi evni, LiPF6 stabilisatorar og onnur funktionell tilsetingarevni.
Leiðandi tilsetingarevni betra um ferðgongdina hjá litium-ion battaríum við at samskipa við elektrolytjonum, stuðla litiumsalt upploysing og vaksandi elektrolyttleiðslu. Av tí at leiðandi tilsetingarevni virka gjøgnum samskipanarreaktiónir, verða tey eisini nevnd ligand-tilsetningsevni, og verða flokkað í anionisk ligandir, kationiskar ligandir og neutralar ligandir grundaðar á samvirkandi ion.
Yvirgjaldsverndarevni geva yvirgjaldsverju ella økja um yvirgjaldstoleransuna. Tey eru funktionelt flokkað í redox-tilsetningsevni og monomer-tilsetningsevni. Í løtuni eru redox-tilsetningsevni í høvuðsheitum anisol-røðir, sum hava høgar redox-potentialir og góð upploysiligheit. Monomertilsetingarevni fara undir polymerisatiónsreaktiónir undir høgari spenning, sleppa gassum, og polymerin klæðir katodutilfarsflatuna, og avbjóðar løðing. Monomertilsetingarevni fevna í høvuðsheitum um aromatisk evni sum xylen og fenylcyclohexan.
Flame retardant tilsetingarevni virka við at hækka tendringarpunktið í elektrolytinum ella enda fríu radikalu ketuviðgerðina, sum tálmar brenningina. Teirra sløg eru víst á mynd 7-8. At leggja eldvarðandi evni afturat er ein av týðandi mátunum at minka um eldførið í elektrolytinum, víðka rakstrarhitaøkið hjá litium-ion battaríum og betra um teirra avrik. Virkningsmekanisman hjá eldfastum tilsetingarevnum eru í høvuðsheitum tvífaldar:
1) Við at skapa eitt isoleringslag millum gassfasuna og kondenseraðu fasuna, forða tey fyri brenning í bæði kondenseraðu og gassfasunum.
2) Tey fanga fríar radikalar undir brennireaktiónstilgongdini, og enda fríu radikalu ketuviðgerðina, sum tálmar brenningarreaktiónir millum gassfasurnar.
